國(guó)外航空及國(guó)防數(shù)據(jù)中心的發(fā)展與啟示

馮 冰，郝建春，王秋生，蘭 江

（中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

0 引言

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展及在飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、維修等方面的廣泛應(yīng)用，國(guó)外先進(jìn)航空及國(guó)防企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷深入。波音公司開啟了“第二個(gè)百年企業(yè)體系”戰(zhàn)略，在統(tǒng)一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈上端到端的系統(tǒng)和流程集成，以支撐其數(shù)字化轉(zhuǎn)型。2019年，空客公司在其所有活動(dòng)和產(chǎn)品全面部署達(dá)索系統(tǒng)的3D體驗(yàn)平臺(tái)，圍繞數(shù)字設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)（DDMS）項(xiàng)目加速其數(shù)字化轉(zhuǎn)型。洛克希德?馬丁公司從F-35項(xiàng)目開始采用數(shù)字化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式，近年來借助美軍對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的推廣應(yīng)用，加速其數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，形成了“數(shù)字織錦”（Digital Tapestry）和“產(chǎn)品數(shù)字集”（Product Digiverse）等解決方案。

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，數(shù)據(jù)越來越得到重視，已經(jīng)開始作為生產(chǎn)要素參與企業(yè)運(yùn)作，并深刻影響航空及國(guó)防企業(yè)的運(yùn)作方式。

當(dāng)前，全球信息技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)入新一輪加速期，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)在航空及國(guó)防領(lǐng)域快速發(fā)展和應(yīng)用，帶動(dòng)數(shù)據(jù)量爆炸式增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、算力承載、應(yīng)用支持和網(wǎng)絡(luò)連接的載體，被視為管理和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐，戰(zhàn)略重要性日益凸顯。

1 國(guó)外航空及國(guó)防數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢(shì)

1.1 戰(zhàn)略認(rèn)知和重視程度不斷提高

隨著數(shù)字化技術(shù)在航空及國(guó)防領(lǐng)域全周期各階段的廣泛持續(xù)應(yīng)用，數(shù)據(jù)類型、規(guī)模急劇增加，業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富。人們對(duì)數(shù)據(jù)地位和作用的認(rèn)知持續(xù)提升，建立與之相配套的數(shù)據(jù)中心成為國(guó)防機(jī)構(gòu)和先進(jìn)航空企業(yè)的通行做法。近年來，數(shù)據(jù)中心作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，得到前所未有的重視和發(fā)展。2018年6月，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布《國(guó)防部數(shù)字工程戰(zhàn)略》，把加強(qiáng)信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為該戰(zhàn)略的五大目標(biāo)之一。2019年7月，發(fā)布《國(guó)防部數(shù)字現(xiàn)代化戰(zhàn)略》，明確信息技術(shù)現(xiàn)代化方向，提出通過云和數(shù)據(jù)中心優(yōu)化改革實(shí)現(xiàn)聯(lián)合信息環(huán)境能力目標(biāo)。2020年9月，發(fā)布《國(guó)防部數(shù)據(jù)戰(zhàn)略》，將數(shù)據(jù)作為與武器系統(tǒng)同等重要戰(zhàn)略資產(chǎn)進(jìn)行管理，并致力于把國(guó)防部打造成“以數(shù)據(jù)為中心”的組織。2019年7月，美國(guó)空軍發(fā)布《數(shù)字空軍》白皮書，提出空軍必須轉(zhuǎn)向利用數(shù)據(jù)、信息技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施來獲取戰(zhàn)爭(zhēng)勝利。在航空工業(yè)領(lǐng)域，一些先進(jìn)航空企業(yè)紛紛打破信息系統(tǒng)“煙囪”屏障，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。如，截至2018年，洛克希德?馬丁公司建有3個(gè)企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心，在線存儲(chǔ)能力達(dá)到20PB，備份存儲(chǔ)能力達(dá)到5PB，并著力推動(dòng)數(shù)據(jù)中心由緩慢、僵化向快速、敏捷、任務(wù)導(dǎo)向轉(zhuǎn)變。

1.2 趨向云化、高性能和分布式發(fā)展

虛擬化、云計(jì)算技術(shù)發(fā)展和企業(yè)上云率提升，促使數(shù)據(jù)中心形態(tài)加速向云進(jìn)化。海量數(shù)據(jù)和計(jì)算能力向云端遷移成為發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)估計(jì)，全世界96%的服務(wù)器增量將部署在云端或托管，86%的計(jì)算工作將在云上完成。美國(guó)國(guó)防部2018年以來相繼發(fā)布《國(guó)防部云戰(zhàn)略》和《國(guó)防部數(shù)字現(xiàn)代化戰(zhàn)略》，提出通過云計(jì)算技術(shù)整合國(guó)防部數(shù)據(jù)中心，促進(jìn)其虛擬化 。波音公司實(shí)施“云優(yōu)先”戰(zhàn)略，積極推動(dòng)數(shù)據(jù)中心高度虛擬化，對(duì)存儲(chǔ)與計(jì)算資源進(jìn)行池化共享。截至2014年，在3000余臺(tái)服務(wù)器上建立14000余臺(tái)虛擬機(jī)，形成了超過20PB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。同時(shí)，波音公司與亞馬遜、微軟公司合作，將其7%至10%的關(guān)鍵IT應(yīng)用遷移到云平臺(tái)，極大提高了IT資源利用率和數(shù)據(jù)中心運(yùn)行穩(wěn)定性。

更加關(guān)注計(jì)算能力和業(yè)務(wù)連續(xù)性，數(shù)據(jù)中心向高性能和分布式發(fā)展。新型技術(shù)及應(yīng)用需要海量計(jì)算、存儲(chǔ)、分析以及災(zāi)備等能力，對(duì)數(shù)據(jù)中心提出更高要求。如，人工智能的快速發(fā)展帶來深度學(xué)習(xí)、圖片編解碼和視頻渲染等更多應(yīng)用需求，在訓(xùn)練和推理過程中對(duì)計(jì)算性能、吞吐、時(shí)延等方面要求更高。根據(jù)世界權(quán)威IT咨詢公司高德納（Gartner）預(yù)測(cè)，到2025年，由于5G、新型電池、超融合基礎(chǔ)架構(gòu)和軟件定義等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)數(shù)據(jù)中心每單位物理面積（平方英尺）的計(jì)算能力將提升5倍以上?？湛凸驹缭?011年就部署了當(dāng)時(shí)世界上最大的工業(yè)高性能計(jì)算系統(tǒng)，將其超級(jí)計(jì)算能力提升了將近1倍，顯著提高了飛機(jī)研發(fā)計(jì)算能力。波音公司位于美國(guó)西南、西北、東南地區(qū)的3個(gè)數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)中心虛擬化、分散布局和分布式建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、災(zāi)難恢復(fù)和業(yè)務(wù)連續(xù)。

1.3 注重運(yùn)營(yíng)成本控制與經(jīng)濟(jì)價(jià)值創(chuàng)造

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心全面進(jìn)入轉(zhuǎn)型期，大量小微、低效、老舊數(shù)據(jù)中心正通過整合與技術(shù)升級(jí)，努力向規(guī)?；凸?jié)能化方向發(fā)展。美國(guó)數(shù)據(jù)中心在經(jīng)過早期的高速發(fā)展之后，面臨數(shù)量過多、設(shè)備老舊、運(yùn)行低效、運(yùn)營(yíng)成本過高等一系列問題。2010年開始，美國(guó)政府陸續(xù)實(shí)施美國(guó)聯(lián)邦數(shù)據(jù)中心整合計(jì)劃（FDCCI）、美國(guó)聯(lián)邦信息技術(shù)采辦改革法案（FITARA）以及數(shù)據(jù)中心優(yōu)化計(jì)劃（DCOI），對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以提高運(yùn)營(yíng)效率并降低運(yùn)營(yíng)成本。截至目前，美國(guó)已關(guān)閉了210個(gè)中大型數(shù)據(jù)中心、3005個(gè)小微型數(shù)據(jù)中心，節(jié)省成本約19.4億美元 。早在2011年，空客公司就通過技術(shù)升級(jí)將其數(shù)據(jù)中心PUE值降到了1.25（同期數(shù)據(jù)中心PUE平均值為1.98）。

圖2 數(shù)據(jù)中心年度PUE平均值

數(shù)據(jù)中心是一個(gè)需要持久能源支持的基礎(chǔ)設(shè)施，能耗較高，電力成本占其總運(yùn)營(yíng)成本的50%以上。寒冷地區(qū)的數(shù)據(jù)中心利用氣候條件優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)極低的PUE值，大幅降低運(yùn)營(yíng)成本。供電架構(gòu)和制冷方式的變革同樣可以提高效率，節(jié)省能源，降低成本。波音、空客、洛克希德?馬丁等公司把能源使用效率和全壽命周期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本作為數(shù)據(jù)中心選址和建設(shè)的重要因素。

國(guó)外航空既國(guó)防數(shù)據(jù)中心通過創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)在成本控制和經(jīng)濟(jì)價(jià)值創(chuàng)造之間的平衡，以具備可持續(xù)運(yùn)行的能力。數(shù)據(jù)是一種可以多維使用和長(zhǎng)期開發(fā)利用的資產(chǎn)，數(shù)據(jù)中心既可以是企業(yè)支撐內(nèi)部管理和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的平臺(tái)，也可以成為經(jīng)營(yíng)能力的一部分，實(shí)現(xiàn)溢出價(jià)值。不少企業(yè)在數(shù)據(jù)中心建立數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，為供應(yīng)商和客戶提供服務(wù)，起到了緩解運(yùn)營(yíng)壓力和經(jīng)營(yíng)增值的作用。如，波音公司與卡耐基梅隆大學(xué)合作建立航空數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，采集飛機(jī)運(yùn)營(yíng)和維修數(shù)據(jù)，為航空公司及其他客戶提供航空運(yùn)營(yíng)、維修保障等服務(wù)?？湛凸窘㈤_放的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)“智慧天空”，并將其基于云端的大數(shù)據(jù)分析范圍向產(chǎn)業(yè)鏈延伸，向航空公司提供產(chǎn)品可靠性、質(zhì)量和性能改進(jìn)服務(wù)。截至2019年，“智慧天空”已匯聚10多家供應(yīng)商和54家航空公司的4500多架客機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.4 打造數(shù)字生態(tài)和數(shù)據(jù)交換機(jī)制

數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、服務(wù)與開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)，正在成為數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值放大和數(shù)字技術(shù)實(shí)施的核心載體和可靠途徑。美國(guó)國(guó)防部致力于打造數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，通過全壽命周期數(shù)據(jù)建模和知識(shí)挖掘，提高裝備系統(tǒng)性能并降低成本 。波音、空客、洛克希德?馬丁公司等優(yōu)秀航空企業(yè)，努力推動(dòng)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用系統(tǒng)與業(yè)務(wù)深度融合，使其不僅具有企業(yè)信息資源服務(wù)、核心計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，還承擔(dān)產(chǎn)品建模仿真、生產(chǎn)過程監(jiān)控、服務(wù)保障/運(yùn)營(yíng)支持等任務(wù)。如，美國(guó)空軍與波音公司合作，利用飛機(jī)幾何外形數(shù)據(jù)、飛行數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)和維修數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)等構(gòu)建了F-15C機(jī)體數(shù)字孿生模型，運(yùn)用先進(jìn)建模仿真工具，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)多尺度仿真和結(jié)構(gòu)完整性診斷。在此過程中，數(shù)據(jù)中心發(fā)揮了各類機(jī)構(gòu)聯(lián)系樞紐和數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)的關(guān)鍵作用。

美國(guó)大力推進(jìn)軍地?cái)?shù)據(jù)交換共享，自20世紀(jì)50年代起，美軍陸、海、空軍聯(lián)合發(fā)起政府—工業(yè)界數(shù)據(jù)交換計(jì)劃（GIDEP），旨在通過促進(jìn)信息交換來尋求減少甚至消除資源消耗。從數(shù)據(jù)來源看，GIDEP主要包括軍方數(shù)據(jù)，政府組織數(shù)據(jù)，以及工業(yè)部門數(shù)據(jù)；從數(shù)據(jù)類型看，主要是武器裝備研發(fā)、生產(chǎn)、使用過程中的數(shù)據(jù)，具體包括產(chǎn)品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)、產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)等。目前，GIDEP已發(fā)展為包含2000余家企業(yè)，6000多注冊(cè)會(huì)員的信息系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的應(yīng)用，GIDEP對(duì)于實(shí)現(xiàn)有效的技術(shù)轉(zhuǎn)移，保障美軍裝備系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性、安全性和性能，加快計(jì)劃進(jìn)度，降低美軍裝備系統(tǒng)研制、生產(chǎn)和維持費(fèi)用等全壽命周期成本起了重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，GIDEP自成立至今已為各類用戶節(jié)省開支超21億美元。

2 借鑒與啟示

通過對(duì)國(guó)外航空及國(guó)防數(shù)據(jù)中心相關(guān)政策及建設(shè)運(yùn)營(yíng)情況的現(xiàn)狀及趨勢(shì)的深度分析，可以得到如下啟示：數(shù)據(jù)中心是匯聚和利用數(shù)據(jù)資產(chǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。我國(guó)航空工業(yè)必須加快論證建設(shè)高水平航空數(shù)據(jù)中心，促進(jìn)對(duì)航空裝備研制、生產(chǎn)、使用和售后服務(wù)全壽命周期數(shù)據(jù)的聚集、挖掘與深度應(yīng)用；同時(shí)，加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)模式創(chuàng)新，不斷提升已有及新建數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)效率和效能，努力使數(shù)據(jù)成為我國(guó)航空工業(yè)提升管理效率、提高裝備質(zhì)量和降低經(jīng)營(yíng)成本的關(guān)鍵生產(chǎn)要素。

2.1 技術(shù)適度超前引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)

未來航空裝備研制圍繞數(shù)據(jù)展開，要加快數(shù)據(jù)中心，尤其是集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)中心建設(shè)，把數(shù)據(jù)作為核心資產(chǎn)管起來、用起來。數(shù)據(jù)是數(shù)字航空和數(shù)字技術(shù)的基石，美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)空軍以及波音公司、洛克希德?馬丁公司等均把數(shù)據(jù)作為一種戰(zhàn)略資產(chǎn)加以管理。數(shù)據(jù)中心則是裝載、管理和運(yùn)用數(shù)據(jù)的平臺(tái)，離開數(shù)據(jù)中心支撐，數(shù)字航空只能是空中樓閣。當(dāng)前，我國(guó)航空工業(yè)缺少集團(tuán)級(jí)高水平數(shù)據(jù)中心，現(xiàn)有“簡(jiǎn)單機(jī)房式”數(shù)據(jù)中心普遍容量不夠、計(jì)算能力不足，致使型號(hào)信息系統(tǒng)“煙囪”、“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象突出，嚴(yán)重制約航空裝備數(shù)字化研制、智能制造和數(shù)字化運(yùn)營(yíng)管理推進(jìn)，已成為航空工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的瓶頸。

以技術(shù)適度超前應(yīng)對(duì)快速迭代的數(shù)據(jù)中心發(fā)展需求，打造云邊結(jié)合、分布式數(shù)據(jù)中心體系，避免陷于“建成即落后”的尷尬境地。從需求端看，組織對(duì)數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)密度、計(jì)算能力、節(jié)能降耗、支撐業(yè)務(wù)場(chǎng)景等方面需求的不斷變化和增強(qiáng)，牽引著數(shù)據(jù)中心持續(xù)優(yōu)化升級(jí)。美國(guó)國(guó)防部、波音公司整合優(yōu)化其數(shù)據(jù)中心，充分說明數(shù)據(jù)中心如不能持續(xù)滿足組織需求，很快就會(huì)落后并被淘汰。從供給端看，云計(jì)算、邊緣計(jì)算、虛擬化等新技術(shù)應(yīng)用，使云數(shù)據(jù)中心、邊緣數(shù)據(jù)中心等新形態(tài)數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生，為更好地滿足組織需要?jiǎng)?chuàng)造了條件。

2.2 嚴(yán)格遵守安全保密和節(jié)能環(huán)保要求

安全、保密是涉軍數(shù)據(jù)中心的特殊要求，也是航空數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)營(yíng)的紅線和底線，必須作為重中之重來抓。航空數(shù)據(jù)中心涉及大量涉密數(shù)據(jù)，事關(guān)國(guó)家利益和安全，決定了數(shù)據(jù)中心要配備高規(guī)格的安全、保密條件，確保數(shù)據(jù)中心的絕對(duì)安全。波音公司在云化過程中，將敏感數(shù)據(jù)分割成多個(gè)“拼圖”并使其廣泛分布，并不斷應(yīng)用加密技術(shù)進(jìn)行處理，從技術(shù)上確保不被竊取，表明數(shù)據(jù)中心的安全和保密問題在全世界范圍內(nèi)都是普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題。我國(guó)航空數(shù)據(jù)中心的安全保密，要以技術(shù)手段為核心，兼顧管理、物防措施的綜合運(yùn)用。

國(guó)家政策法規(guī)對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)營(yíng)有嚴(yán)格的節(jié)能、環(huán)保規(guī)定，必須高度重視并滿足相關(guān)要求。數(shù)據(jù)中心高能耗問題在全世界范圍內(nèi)引發(fā)廣泛關(guān)注，很多國(guó)家和國(guó)際組織紛紛制定法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其能效加以約束。我國(guó)也不例外，國(guó)家和地方政府出臺(tái)了一系列政策要求。因而，航空數(shù)據(jù)中心建設(shè)要符合國(guó)家和地方政府在建設(shè)規(guī)模、環(huán)保等方面的限制條件，充分利用電價(jià)、氣候、土地、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（國(guó)家級(jí)互聯(lián)網(wǎng)骨干直連點(diǎn)）、用工等方面的優(yōu)惠政策和條件。

2.3 合理規(guī)劃，創(chuàng)新可持續(xù)發(fā)展路徑

以用促建、以用引建，提前做好數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)效率和運(yùn)營(yíng)成本評(píng)估，確保數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)營(yíng)均衡發(fā)展。近年來，美國(guó)政府和國(guó)防部采取的一系列關(guān)閉、整合低效、老舊數(shù)據(jù)中心舉措，表明數(shù)據(jù)中心建設(shè)要考慮后續(xù)運(yùn)營(yíng)效率與成本，避免大干快上、盲目發(fā)展，這是我國(guó)航空工業(yè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)必須借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。航空數(shù)據(jù)中心建設(shè)，要統(tǒng)籌數(shù)據(jù)在線存儲(chǔ)和離線存儲(chǔ)需求，合理規(guī)劃數(shù)據(jù)中心數(shù)量、級(jí)別（集團(tuán)級(jí)、企業(yè)級(jí)）、類型（存儲(chǔ)中心、計(jì)算中心、應(yīng)用中心）、規(guī)模和布局，科學(xué)評(píng)估后續(xù)運(yùn)營(yíng)成本、效率和效能，確?？沙掷m(xù)發(fā)展。

數(shù)據(jù)的持續(xù)穩(wěn)定獲取是數(shù)據(jù)中心的根本，是發(fā)揮一切其他效用的前提?？商剿魇袌?chǎng)化條件下的數(shù)據(jù)定價(jià)和交易機(jī)制。對(duì)于基礎(chǔ)、共性或有轉(zhuǎn)讓價(jià)值的專用數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)供方定價(jià)、數(shù)據(jù)交易雙方商務(wù)議價(jià)和線上/線下交易相結(jié)合的機(jī)制，逐步擺脫單純依靠行政命令進(jìn)行強(qiáng)制性數(shù)據(jù)匯集的方式，為航空數(shù)據(jù)中心建設(shè)及長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)持續(xù)交換/共享奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

本文通過跟蹤分析以美國(guó)、歐洲為主的國(guó)外航空及國(guó)防數(shù)據(jù)中心相關(guān)政策及建設(shè)運(yùn)營(yíng)情況，概括給出了其發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，結(jié)合實(shí)際需求提煉總結(jié)了對(duì)我國(guó)建設(shè)航空數(shù)據(jù)中心的啟示。他山之石，可以攻玉。研究結(jié)論對(duì)航空工業(yè)數(shù)據(jù)中心的布局、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和發(fā)展具有積極借鑒意義。